上篇介绍了socket编程的准备知识,是不是有一种很想马上就开始了解网络编程,甚至开始写点代码的感觉,别着急,网络编程中还有一个比较重要的概念是TCP/IP,中文名称叫网络传输协议,本质上,TCP/IP是一种协议,同时也是网络编程中最重要的协议之一。TCP/IP涉及到的内容实在太多,无奈笔者才疏学浅,无法把整个TCP/IP介绍给大家,这篇文章的目的主要是基于上一篇文章的前提下,介绍TCP连接三次握手和断开连接四次挥手究竟做了什么?socket的状态有哪些?在各个API执行的过程中,socket的状态是怎么变化的?希望通过这篇文章,能让大家对在TCP连接建立与断开过程中,socket的整个状态变化流程有更深入的了解。

几个术语

SYN : 同步序列编号,Synchronize Sequence Numbers,仅在三次握手建立TCP连接时有效。表示一个新的TCP连接请求。

ACK : 确认编号,Acknowledgement Number,对TCP请求的确认标志,同时提示对端系统已经成功接收所有数据。

FIN : 结束标志,FINISH,用来结束一个TCP会话,但对应端口仍处于开放状态,准备接收后续数据。

TCP三次握手

建立一次连接会有下面的流程

1)服务器通过socket(初始化socket)、bind(绑定ip端口)、listen(开始监听服务)完成一次socket连接的建立,并调用accept函数准备好接收外部请求连接,这一步被称为被动打开

2)客户端通过socket(初始化socket)完成了连接建立,调用connect函数发起主动打开,此时客户端会发送一个SYN分节J给服务器,J的作用是告诉服务器,在接下来的数据传输过程中,J是客户端在连接中传输数据的初始序列号

3)服务器收到客户端的SYN分节后,需要回复确认信号ACK,J+1,代表服务器已经收到客户端的请求,且已经确认了客户端的初始序列号,同时服务器会发送SYN分节K给客户端,K的作用是告诉客户端,在接下来的数据传输过程中,K是服务器在连接中传输数据的初始序列号

4)客户端收到服务器的SYN分节后,回复确认信号(ACK)K+1。连接建立成功。

整个建立连接过程至少需要三个分节,因此被称为TCP三路握手。下面是TCP三次握手的流程图:

tcp-status

TCP四次握手

TCP通过三次握手建立连接,然而,断开连接需要四次握手,TCP断开连接的流程描述如下:

1、客户端应用程序调用close函数,TCP中,称首先调用close的那一端为主动关闭,主动关闭的这一端发送FIN分节,意味着已经完成发送数据了;

2、另一端(即服务器),接收到关闭请求,也收到FIN分节,开始执行被动关闭操作,称为被动关闭的一端。这个FIN分节由TCP确认,发送一个确认分节ACK给客户端,收到的FIN同时也是作为文件结束符传递给应用,意味着应用程序在接收了FIN之后就不会再接收连接上的数据;

3、之后,接收到文件结束符的应用程序会关闭它的socket,服务端的TCP也会发送一个FIN分节;

4、客户端接收到FIN分节,并确认最后的关闭操作,发送ACK分节给服务端。

整个连接过程中,每一端的关闭和确认关闭都各自需要一个FIN和ACK分节,整个过程通常共需要4个分节,因此也称为TCP四次握手。下面是TCP关闭连接四次握手的流程图:

tcp-status

实际上,网络上的传输是没有连接的,包括TCP也是一样,TCP所谓的”连接”与”断开连接”,其实只是一种虚拟的叫法,只不过是在通讯的双方维护一个”连接状态”,让它看上去好像有连接一样,所以,了解TCP的状态变换是非常重要的,接下来介绍socket的状态以及在TCP建立连接与断开连接过程中,socket状态的变化。

socket状态

socket共定义了11种状态:LISTEN、SYN-SENT、SYN-RECEIVED、ESTABLISHED、FIN-WAIT-1、FIN-WAIT-1、CLOSE_WAIT、FIN_WAIT、LAST-ACK、TIME-WAIT、CLOSING、CLOSED。

我们假定A服务请求连接B服务。

LISTEN:开始建立连接,此时socket已经初始化成功,正在等待连接

SYN-SENT:A成功发送连接请求给B,等待对方响应

SYN-RECEIVED:B接收到A的连接请求,并回复了确认进行连接给A,此状态表示正在等待A也回复确认收到此消息

ESTABLISHED:表示连接已经成功建立;这个状态是连接阶段中进行数据传输的正常状态

FIN-WAIT-1:等待主动断开连接请求的确认,或者并发请求被拒绝的断开连接,这种状态通常持续时间很短,比较难捕捉

FIN-WAIT-2:等待B断开连接操作,这个状态通常持续时间也很短,但是如果B发生阻塞或者其他原因没有关闭连接,那么这个状态就会持续较长时间

CLOSE-WAIT:B已经收到了A的断开连接请求,正在等待本地应用程序发送断开连接请求

CLOSING:A正在等待B的关闭连接确认信号,当A接收到本地程序断开连接的请求后,就发送断开连接请求给B,并进入此状态

LAST-ACK:B等待断开连接的确认信号

TIME-WAIT:等待一段时间,确认B接收到A的关闭连接确认信号

CLOSED:连接完全关闭

那么在一个完整的TCP连接过程,TCP的状态是怎么转换的呢?

先来看看下面这张图,是UNIX网络编程中,TCP状态变化的经典流程图:

TCP-status

在server端,调用socket函数创建一个sockect,函数返回一个socket文件描述符,调用bind函数绑定ip地址和端口,之后调用listen函数,scokect变成正在监听的socket,进入LISTEN状态,并调用accept等待请求(想要测试LISTEN状态,可以建立socket=>bind=>listen,然后sleep10秒之后退出,启动server之后马上用netstat命令可以看到)

客户端调用connect,主动打开文件描述符,请求建立连接,此时会触发TCP的三次握手,进入SYN-SENT状态

此时服务器调用了accept正在阻塞阶段,接收到客户端的连接请求后,进入SYN-RECEIVED状态,回复确认报文给客户端,等待客户端确认连接

客户端收到服务器的连接确认报文SYN后,此时TCP已经完成了三次握手,connect函数返回,确认建立连接,转成ESTABLISHED状态,并发送确认报文ACK给服务器。(当第二次握手完成,握手步骤的第二个segment被client接收到的时候,connect函数返回。)

在服务器侧,接收到客户端的确认报文,accept也收到返回,服务器也进入ESTALISHED状态。(握手步骤的第三个分节被server接收到的时候,accept函数返回,即connect返回后经过一半的RTT时间才返回。)

客户端和服务端成功建立”连接”后,就进行开始通信,此时会调用read/write函数进行读写数据,读写数据完毕后,就准备关闭连接

假定客户端应用程序,收到了服务器的响应报文,完成了通信过程,准备关闭应用,调用close函数发起主动关闭,此时客户端进入FIN-WAIT1状态,发送FIN分节到服务器,等待服务器确认

服务端收到断开连接请求分节FIN(M),此时read函数返回0,服务器准备执行关闭操作,不再接收任何数据,并发送确认报文ACK(M+1)给客户端

客户端收到确认分节后,表示服务器已经接收到断开连接请求,此时不会再发送数据并等待服务器断开连接,进入FIN-WAIT2状态

服务器发送确认断开连接后,调用close函数,断开连接,close函数成功返回后,发送FIN分节给客户端,进入LASK-ACK状态,等待客户端的确认

客户端收到服务器的断开连接分节FIN(N)后,发送确认分节ACK给服务器,并进入TIME-WAIT状态,此时会等待足够的时间,大约是最长分节生命期的2倍(2MSL),确认服务器收到断开连接的确认分节,之后就会消失。 服务器收到客户端的断开连接的确认分节ACK(N+1)后,表示连接已经完全断开了,此时进入CLOSED状态

看完上面的一大段文字可能有点枯燥,甚至有点懵,来看看这张动画图:

tcp-status

总结

本次主要介绍了TCP状态,以及在TCP连接建立和断开过程中,TCP状态的变化,掌握了这个,对理解网络编程中,各个流程的状态有比较大的帮助,比如在排查服务是否启动的时候,就可以通过netstat -nlp | grep '端口号',查看服务的状态描述字符串,如果是LISTEN状态表示服务已经正常启动,如果服务处于其他状态,则可以通过服务状态来进一步排查问题。

原创文章,文笔有限,才疏学浅,文中若有不正之处,万望告知。

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